第三章_可逆直流调速系统

1、1 可逆调速系统可逆调速系统第第 3 3 章章2 学习要点：学习要点：（1 1）掌握可逆线路的基本结构；）掌握可逆线路的基本结构；（2 2）掌握）掌握V-MV-M系统反并联可逆线路系统反并联可逆线路4 4象限运行的各象限运行的各种工作状态；种工作状态；（3 3）掌握可逆系统的结构、工作原理、控制方式）掌握可逆系统的结构、工作原理、控制方式和性能；和性能；重点、难点：重点、难点： 1. 1.可逆调速系统主回路的拓扑特征及回馈制动时对可逆调速系统主回路的拓扑特征及回馈制动时对电源的要求；电源的要求； 2.2.环流的产生、分类、对晶闸管可逆线路的影响。环流的产生、分类、对晶闸管可逆线路的影响。 3.

2、3.有环流可逆调速系统的正反运转过程中，主电路有环流可逆调速系统的正反运转过程中，主电路的能量变换、控制系统的调节等动态过程分析。的能量变换、控制系统的调节等动态过程分析。33.1.0 问题的提出问题的提出 电动机不仅要能提供带动生产机械运动的电动转矩，还能产生制动转矩，实现生产机械快速的减速、停车与正反向运行等功能。 改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向，这本来是很简单的事。 直流电动机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，问题就变得复杂起来了。 以转速和电磁转矩的坐标系表征之，就是要求运动控制系统具有在该坐标系上作四象限运行的功能，由于这

3、样的调速系统转速可以反向，故称作可逆调速系统。3.1.0 问题的提出（续）问题的提出（续）53.1.1 单片微机控制的单片微机控制的PWM可逆直流调速系统可逆直流调速系统 中、小功率的可逆直流调速系统多采中、小功率的可逆直流调速系统多采用由电力电子功率开关器件组成的桥式可用由电力电子功率开关器件组成的桥式可逆逆PWMPWM变换器。变换器。 图图1-22 1-22 绘出了绘出了PWMPWM可逆调速系统的主可逆调速系统的主电路，其中功率开关器件采用电路，其中功率开关器件采用IGBTIGBT ；在小；在小容量系统中则可用将容量系统中则可用将IGBTIGBT、续流二极管、续流二极管、驱动电路以及过流、

4、欠压保护等驱动电路以及过流、欠压保护等封装在一封装在一起的智能功率模块起的智能功率模块IPMIPM。 6 系统组成系统组成图3-1 PWM可逆直流调速系统原理图整流器整流器桥式可逆电力电桥式可逆电力电子变换器子变换器驱动电路驱动电路PWM波生波生成环节成环节测速发电机测速发电机给定量给定量 n*，I*d 和反和反馈量馈量 n，Id 都是都是数字量数字量电流传感器电流传感器7 系统控制系统控制 该原理图的硬件结构如图该原理图的硬件结构如图3-43-4所示所示 控制系统一般采用转速、电流双闭环控制控制系统一般采用转速、电流双闭环控制 电流和转速采样值都有交流分量，采用硬电流和转速采样值都有交流分量

5、，采用硬件滤波与软件滤波相结合的办法件滤波与软件滤波相结合的办法 ASRASR和和ACRACR一般采用一般采用PIPI调节调节P101电流环为内环，转电流环为内环，转速环为外环，内环速环为外环，内环的采样周期小于外的采样周期小于外环的采样周期。环的采样周期。如果只采用阻容如果只采用阻容电路滤波，阻容电路滤波，阻容值太大时会延缓值太大时会延缓动态响应，动态响应，8系统控制（续）系统控制（续） 当转速给定信号在当转速给定信号在- -n n* *maxmax0 0+ +n n* *maxmax 之之间变化并达到稳态后，由微机输出的间变化并达到稳态后，由微机输出的PWMPWM信号占空比信号占空比在在

6、0 01 1 的范围内变化，的范围内变化，使使UPEMUPEM的输出平均电压系数为的输出平均电压系数为 = = 1 10 0+1+1 参看式（参看式（1-201-20） ，实现，实现双极式可逆控制双极式可逆控制。 9+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT312ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4n H形主电路结构为了避免同一桥臂上、下两为了避免同一桥臂上、下两个电力电子器件同时导通而个电力电子器件同时导通而引起直流电源短路，在由引起直流电源短路，在由 VT1、VT4 导通切换到导通切换到 VT2、VT3 导通或反向切换时，必导通或反

7、向切换时，必须留有死区时间。须留有死区时间。103.1.2 有环流控制的可逆晶闸管有环流控制的可逆晶闸管-电动机系统电动机系统一一. V-M系统的可逆线路系统的可逆线路 根据电机理论，改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。因此，V-M系统的可逆线路有两种方式： 电枢反接可逆线路； 励磁反接可逆线路。111. 电枢反接可逆线路电枢反接可逆线路 电枢反接可逆线路的形式有多种，这里介绍如下3种方式：（1）接触器开关切换的可逆线路（2）晶闸管开关切换的可逆线路（3）两组晶闸管装置反并联可逆线路12（1） 接触器开关切换的可逆线路接触器开关切换的可逆线路 KMF闭合，

8、电动机正转； KMR闭合，电动机反转。正转接触器线圈KMF,反转接触器线圈KMR13接触器切换可逆线路的特点接触器切换可逆线路的特点 优点：优点： 仅需一组晶闸管装置，简单、经济。仅需一组晶闸管装置，简单、经济。 缺点：有触点切换，开关寿命短；缺点：有触点切换，开关寿命短； 需自由停车后才能反向，时间长。需自由停车后才能反向，时间长。 应用：不经常正反转的生产机械应用：不经常正反转的生产机械。14（2）晶闸管开关切换的可逆线路）晶闸管开关切换的可逆线路 VT1、VT4导通，电动机正转； VT2、VT3导通，电动机反转。晶闸管开关切换的可逆线路15（3）两组晶闸管装置反并联可逆线路）两组晶闸管装

9、置反并联可逆线路Idb) 运行范围图3-2 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路 - n-IdnO正向反向反向a) 电路结构MVRVFId-Id+-+-16 两组晶闸管装置可逆运行模式两组晶闸管装置可逆运行模式 电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电； 反转时，由反组晶闸管装置VR供电。 两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。 但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。 172. 励磁反接可逆线路励磁反接可逆线路 改变励磁电流的方向也能使电动机改变励磁电流的方向也能使电动机改变转向改变转向。与电枢反接可逆

10、线路一样，与电枢反接可逆线路一样，可以采用接触器开关或晶闸管开关切换可以采用接触器开关或晶闸管开关切换方式，也可采用两组晶闸管反并联供电方式，也可采用两组晶闸管反并联供电方式来改变励磁方向。方式来改变励磁方向。 励磁反接可逆线路见下图，电动机电枢励磁反接可逆线路见下图，电动机电枢用一组晶闸管装置供电，励磁绕组由另用一组晶闸管装置供电，励磁绕组由另外的两组晶闸管装置供电。外的两组晶闸管装置供电。18励磁反接可逆供电方式励磁反接可逆供电方式图3-3 晶闸管反并联励磁反接可逆线路MVId+-VR VFIf-If+-+-19 励磁反接的特点励磁反接的特点 优点：供电装置功率小。 由于励磁功率仅占电动机

11、额定功率的15%，因此，采用励磁反接方案，所需所需晶闸管装置的容量小晶闸管装置的容量小、投资少、效益高。 缺点：改变转向时间长。 由于励磁绕组的电感大，励磁反向的过由于励磁绕组的电感大，励磁反向的过程较慢程较慢；又因电动机不允许在失磁的情况下运行，因此系统控制相对复杂一些。20小小 结结（1）V-M系统的可逆线路可分为两大类：系统的可逆线路可分为两大类： 电枢反接可逆线路电枢反接可逆线路电枢反接反向过程快，电枢反接反向过程快，但需要较大容量的晶闸管装置；但需要较大容量的晶闸管装置； 励磁反接可逆线路励磁反接可逆线路励磁反接反向过程慢，励磁反接反向过程慢，控制相对复杂，但所需晶闸管装置容量小。控

12、制相对复杂，但所需晶闸管装置容量小。（2）每一类线路又可用不同的换向方式：每一类线路又可用不同的换向方式：接触器切换线路接触器切换线路适用于不经常正反转的生产机械；适用于不经常正反转的生产机械；晶闸管开关切换线路晶闸管开关切换线路适用于中、小功率的可逆系统；适用于中、小功率的可逆系统；两组晶闸管反并联线路两组晶闸管反并联线路适用于各种可逆系统。适用于各种可逆系统。21二二. 晶闸管晶闸管-电动机系统的回馈制动电动机系统的回馈制动1. 晶闸管装置的整流和逆变状态晶闸管装置的整流和逆变状态 在两组晶闸管反并联线路的在两组晶闸管反并联线路的V-MV-M系统系统中，晶闸管装置可以工作在整流或有源中，晶

13、闸管装置可以工作在整流或有源逆变状态。逆变状态。 在电流连续的条件下，晶闸管装置的平在电流连续的条件下，晶闸管装置的平均理想空载输出电压为均理想空载输出电压为（3-1） coscosmsinmd0maxmd0UUU22当控制角为 90 ，Ud0 为正值，晶闸管装置处于整流状态；当控制角为 90 ，Ud0 为负值，晶闸管装置处于逆变状态。 为了方便起见，定义逆变角 = 180 ，则逆变电压公式可改写为 Ud0 = Ud0 max cos（3-2） 逆变电压公式逆变电压公式 对卷扬机械这一类位能性负载，其特点是对卷扬机械这一类位能性负载，其特点是在运动过程中负载转矩恒定（不计空载损在运动过程中负载

14、转矩恒定（不计空载损耗的影响），它贯穿于耗的影响），它贯穿于、象限。象限。 当调速系统带有这一类负载时，不论作正当调速系统带有这一类负载时，不论作正向运行还是反向运行，电机的电磁转矩大向运行还是反向运行，电机的电磁转矩大小与方向都不变，与小与方向都不变，与TL相等；相等； 其运行状态有正转其运行状态有正转电动状态、与反电动状态、与反转转制动状态两种。制动状态两种。 2. 单组晶闸管装置的有源逆变单组晶闸管装置的有源逆变24-+Ud0RM+-nEV-2. 单组晶闸管装置的有源逆变单组晶闸管装置的有源逆变 单组单组晶闸管装置供电的晶闸管装置供电的V-MV-M系统在拖动起重机系统在拖动起重机类型的负

15、载时也可能出现整流和有源逆变状态。类型的负载时也可能出现整流和有源逆变状态。 a a）整流状态：提升重物，）整流状态：提升重物， 90 90，U Ud0d0 E E，n n 0,0,由电网向电动机提供能量。由电网向电动机提供能量。PId25+-+-Ud0RMnEV-b）逆变状态：放下重物 9090，U Ud0d0 E E，n n 0 0 由电动机向电网回馈能量。由电动机向电网回馈能量。 PId26n- nIdTe提升放下c）机械特性）机械特性 整流状态：整流状态： 电动机工作于电动机工作于第第1 1象限；象限； 逆变状态：逆变状态： 电动机工作于电动机工作于第第4 4象限。象限。TL图3-3

16、单组V-M系统带起重机类型负载时的整流和逆变状态 273. 两组晶闸管装置反并联的整流和逆变 两组晶闸管装置反并联可逆线路的两组晶闸管装置反并联可逆线路的整流和逆变状态原理与此相同，只是出整流和逆变状态原理与此相同，只是出现逆变状态的具体条件不一样。现逆变状态的具体条件不一样。 现以现以正组正组晶闸管装置晶闸管装置整流整流和和反组反组晶闸晶闸管装置管装置逆变逆变为例，说明两组晶闸管装置为例，说明两组晶闸管装置反并联可逆线路的工作原理。反并联可逆线路的工作原理。28图3-4 两组晶闸管反并联可逆V-M系统的正组整流状态R-+Ud0 fM+-nEVF-a)正组整流电动运行 a) 正组晶闸管装置正组

17、晶闸管装置VF整流整流 VFVF处于整流状态：处于整流状态： 此时，此时， f f 90 90，U Ud0fd0f E E， n n 0 0 电机从电路输入能量作电动运行电机从电路输入能量作电动运行。PId29b) 两组晶闸管反并联可逆V-M系统的反组逆变状态+-+-Ud0rRMnEVR-VR处于逆变状态： 此时，此时， r r 90 90，当，当E E | |U Ud0rd0r| |， n n 0 0 电机输出电能实现回馈制动。电机输出电能实现回馈制动。PIdb) 反组晶闸管装置VR逆变当电动机需要回馈制动时，当电动机需要回馈制动时，由于电机反电动势的极性由于电机反电动势的极性未变，要回馈电

18、能必须产未变，要回馈电能必须产生反向电流生反向电流30c）机械特性范围）机械特性范围Id-Idn反组逆变回馈制动正组整流电动运动c) 机械特性运行范围 整流状态整流状态： V-M系统工作在第一象限。 逆变状态逆变状态： V-M系统工作在第二象限。313. V-M系统的四象限运行系统的四象限运行在可逆调速系统中在可逆调速系统中l 正转运行时可利用反组晶闸管实现回正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动，馈制动，l 反转运行时可利用正组晶闸管实现回反转运行时可利用正组晶闸管实现回馈制动。馈制动。 这样，采用两组晶闸管装置的反这样，采用两组晶闸管装置的反并联，就可实现电动机的四象限运行。并联，就可实现

19、电动机的四象限运行。 32表表3-1 V-M系统反并联可逆线路的工作状态系统反并联可逆线路的工作状态 V-M系统的工作状态系统的工作状态正向运行正向运行正向制动正向制动反向运行反向运行反向制动反向制动电枢端电压极性电枢端电压极性+电枢电流极性电枢电流极性+电机旋转方向电机旋转方向+电机运行状态电机运行状态电动电动回馈发电回馈发电电动电动回馈发电回馈发电晶闸管工作的组别和晶闸管工作的组别和状态状态正组整流正组整流反组逆变反组逆变反组整流反组整流正组逆变正组逆变机械特性所在象限机械特性所在象限一一二二三三四四33 反并联的晶闸管装置的其他应用反并联的晶闸管装置的其他应用 即使是不可逆的调速系统，只

20、要是需要快速的回馈制动，常常也采用两组反并联的晶闸管装置，由正组提供电动运行所需的整流供电，反组只提供逆变制动。 这时，两组晶闸管装置的容量大小可以不同，反组只在短时间内给电动机提供制动电流，并不提供稳态运行的电流，实际采用的容量可以小一些。34三三. 可逆可逆V-M系统中的环流问题系统中的环流问题 1. 环流及其种类环流及其种类 环流的定义：环流的定义： 采用两组晶闸管反并联的可逆采用两组晶闸管反并联的可逆V-MV-M系统，系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作之间

21、流通的短路电流，称作环流环流，如下，如下图中所示。图中所示。35图3-5 反并联可逆V-M系统中的环流 MVR VFUd0f+-+Ud0rRrecRrecRa- 环流的形成环流的形成IdIc36 环流的危害和利用环流的危害和利用 危害：一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。 利用：只要合理的对环流进行控制，保证晶闸管的安全工作，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使电动机在空载或轻载时可工作在晶闸管装置的电流连续区，以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。37 环流的分类环流的分类 在不同情况下，会

22、出现下列不同性质的环流： （1 1）静态环流）静态环流两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类： 直流平均环流直流平均环流由晶闸管装置输出的直流由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。平均电压所产生的环流称作直流平均环流。 瞬时脉动环流瞬时脉动环流两组晶闸管输出的直流平两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。流。 （2 2）动态环流）动态环流仅在可逆仅在可逆V-MV-M系统处于过渡过系统处于过渡过程中出现的环流。程中出

23、现的环流。 382. 直流平均环流与配合控制直流平均环流与配合控制 在两组晶闸管反并联的可逆V-M系统中，如果让正组VF 和反组VR都处于整流状态，两组的直流平均电压正负相连，必然产生很大的直流平均环流。为了防止直流平均环流的产生，需要采取必要的措施，比如： 采用封锁触发脉冲的方法，在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作； 采用配合控制的策略，使一组晶闸管装置工作在整流状态，另一组则工作在逆变状态。39（1）配合控制原理）配合控制原理 为了防止产生直流平均环流，应该当正组处于整流状态时，强迫让反组处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。于是 Ud0r =

24、Ud0f 由式（3-1）， Ud0f = Ud0 max cosf Ud0r = Ud0 max cosr其中 f 和r 分别为VF和VR的控制角。40当直流平均环流为零时，应有当直流平均环流为零时，应有 coscos r r = = cos cos f f或或 r r + + f f = 180 = 180 （3-33-3）如果反组的控制用逆变角如果反组的控制用逆变角 r r 表示，则表示，则 f = r （3-4） 由此可见，由此可见，按照式（按照式（3-43-4）来控制就可以消除直流）来控制就可以消除直流平均环流，这称作平均环流，这称作 = = 配合控制。配合控制。为了更可靠地为了更可靠

25、地消除直流平均环流，可采用消除直流平均环流，可采用 f f r r （3-53-5） 41（2）配合控制方法）配合控制方法 为了实现配合控制，可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90，即 当控制电压 Uc= 0 时，使 f = r = 90，此时 Ud0f = Ud0r = 0 ，电机处于停止状态。 增大控制电压Uc 移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反就可以了。42图3-6 = 配合控制电路GTF-正组触发装置 GTR-反组触发装置 AR-反号器 MVRVFRrecRrec-1ARGTRGTFUcRaM（3） = 配合控制电路配合控制电路43（4） = 配合控制特性配合控制

26、特性 = = 配合控制系统的移相控制特性。移相时，配合控制系统的移相控制特性。移相时，如果一组晶闸管装置处于整流状态，另一组便处于如果一组晶闸管装置处于整流状态，另一组便处于逆变状态，这是指控制角的工作状态而言的。逆变状态，这是指控制角的工作状态而言的。图图3-7 配合控制特性配合控制特性44（5）最小逆变角限制）最小逆变角限制 为了防止晶闸管装置在逆变状态工作为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，出现中逆变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆逆变颠覆”现象，必须在控制电路中现象，必须在控制电路中采用限幅作用，形成最小逆变角采用限幅作用，形成最小逆变角 minmin保护。

27、保护。与此同时，对与此同时，对 角也实施角也实施 minmin保护，以免保护，以免出现出现 U Ud0fd0f U Ud0rd0r而产生直流平均环流。通而产生直流平均环流。通常取常取30minmin45（6） = 控制的控制的工作状态工作状态待逆变状态待逆变状态 实际上，这时逆变组除环流外实际上，这时逆变组除环流外并未流过负载电流，也就没有电能回馈电网，确并未流过负载电流，也就没有电能回馈电网，确切地说，它只是处于切地说，它只是处于“待逆变状态待逆变状态”，表示该组，表示该组晶闸管装置是在逆变角控制下等待工作。晶闸管装置是在逆变角控制下等待工作。逆变状态逆变状态 只有在制动时，当发出信号改变只

28、有在制动时，当发出信号改变控制角后，同时降低了整流电压和逆变电压的幅控制角后，同时降低了整流电压和逆变电压的幅值，一旦电机反电动势值，一旦电机反电动势 E E | |U Ud0rd0r| = | = |U Ud0fd0f| |，整，整流组电流将被截止，逆变组才真正投入逆变工作，流组电流将被截止，逆变组才真正投入逆变工作，使电机产生回馈制动，将电能通过逆变组回馈电使电机产生回馈制动，将电能通过逆变组回馈电网。网。46 = = 控制的控制的工作状态（续）工作状态（续） 待整流状态待整流状态 同样，当逆变组工作时，同样，当逆变组工作时，另一组也是在等待着整流，可称作处于另一组也是在等待着整流，可称作

29、处于“待整流状态待整流状态”。 所以，在所以，在 = = 配合控制下，负载电流可配合控制下，负载电流可以迅速地从正向到反向（或从反向到正向）以迅速地从正向到反向（或从反向到正向）平滑过渡，在任何时候，平滑过渡，在任何时候，实际上只有一组实际上只有一组晶闸管装置在工作，另一组则处于等待工晶闸管装置在工作，另一组则处于等待工作的状态。作的状态。473. 瞬时脉动环流及其抑制瞬时脉动环流及其抑制（1 1） 瞬时的脉动环流产生的原因：瞬时的脉动环流产生的原因： 采用配合控制已经消除了直流平均环流，采用配合控制已经消除了直流平均环流，但是，由于晶闸管装置的输出电压是脉但是，由于晶闸管装置的输出电压是脉动

30、的，造成整流与逆变电压波形上的差动的，造成整流与逆变电压波形上的差异，仍会出现瞬时电压异，仍会出现瞬时电压 的情况，的情况，从而仍能产生瞬时的脉动环流。这个瞬从而仍能产生瞬时的脉动环流。这个瞬时脉动环流是自然存在的，因此配合控时脉动环流是自然存在的，因此配合控制有环流可逆系统又称作制有环流可逆系统又称作自然环流系统自然环流系统。rdfduu00-48（2）瞬时脉动环流产生情况举例）瞬时脉动环流产生情况举例 瞬时电压差和瞬时脉动环流的大小因瞬时电压差和瞬时脉动环流的大小因控制角的不同而异。控制角的不同而异。 现以现以 f f = r r = 60 60为例，分析三相零为例，分析三相零式反并联可逆

31、线路产生瞬时脉动环流的式反并联可逆线路产生瞬时脉动环流的情况。情况。49图3-9 配合控制的三相零式反并联可逆线路的瞬时脉动环流 a) 三相零式可逆线路和瞬时脉动环流回路 -Ud0fLc1RrecRrecUd0rVFVR 三相零式反并联可逆线路三相零式反并联可逆线路Idicp 60ffdu0(b)时整流电压波形 60r120rrdu0(c)(时逆变电压波形 )0ducpi(d)瞬时电压差和瞬时脉动环流波形 ud0=ud0fud0r51 瞬时脉动环流的直流分量瞬时脉动环流的直流分量 由于晶闸管的内阻很小，环流回路由于晶闸管的内阻很小，环流回路的阻抗主要是电感，所以不能突变，并的阻抗主要是电感，所

32、以不能突变，并且落后于且落后于 u ud0 d0 ；又由于晶闸管的单向导；又由于晶闸管的单向导电性，只能在一个方向脉动，电性，只能在一个方向脉动，所以瞬时所以瞬时脉动环流也有直流分量脉动环流也有直流分量I Icpcp（见图见图3-9d3-9d），），但与平均电压差所产生的直流平均环流但与平均电压差所产生的直流平均环流在性质上是根本不同的。在性质上是根本不同的。52（3）瞬时脉动环流的抑制）瞬时脉动环流的抑制 直流平均环流可以用配合控制消除，直流平均环流可以用配合控制消除，而瞬时脉动环流却是自然存在的。为了抑而瞬时脉动环流却是自然存在的。为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电制瞬时脉动环流，

33、可在环流回路中串入电抗器，叫做抗器，叫做环流电抗器环流电抗器，或称，或称均衡电抗器均衡电抗器，如图如图3-9a3-9a中的中的 L Lc1c1和和 L Lc2c2 。 环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分量限制在负载额定电流的流分量限制在负载额定电流的5%10%5%10%来来设计。设计。53 环流电抗器的设置环流电抗器的设置 三相零式反并联可逆线路必须在正、反两个回三相零式反并联可逆线路必须在正、反两个回路中各设一个环流电抗器，因为其中总有一个电抗路中各设一个环流电抗器，因为其中总有一个电抗器会因流过直流负载电流而饱和，失去限流作用。器会因流过直流负载电

34、流而饱和，失去限流作用。 例如：例如： 在图在图 3-9a 3-9a 中当正组中当正组VFVF整流时，流过负载整流时，流过负载电流，使电流，使 L Lc1 c1 铁芯饱和，只能依靠在逆变回路中铁芯饱和，只能依靠在逆变回路中的的 L Lc2 c2 限制环流。限制环流。 同理，当反组同理，当反组VRVR整流时，只能依靠整流时，只能依靠 L Lc1c1限制环流。限制环流。54l 在三相桥式在三相桥式反并联反并联可逆线路中，由于每一组桥可逆线路中，由于每一组桥又有两条并联的环流通道，总共要设置又有两条并联的环流通道，总共要设置4 4个环流电个环流电抗器。抗器。12MVFVRabcABC-环流电抗器的设

35、置（续）环流电抗器的设置（续）55MVFVRabcABCabc-环流电抗器的设置（续）环流电抗器的设置（续）在三相桥式在三相桥式交叉连接交叉连接可逆线路中，由于电源可逆线路中，由于电源独立，每一组桥只有一条环流通道，因此只独立，每一组桥只有一条环流通道，因此只要设置要设置2 2个环流电抗器。个环流电抗器。564 . = 配合控制的有环流可逆配合控制的有环流可逆V-M系统系统(1) 系统组成系统组成 MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+- -57 主电路主电路 主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的主电

36、路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，其中：可逆线路，其中： 正组晶闸管正组晶闸管VFVF，由，由GTFGTF控制触发，控制触发， 正转时，正转时，VFVF整流；整流； 反转时，反转时，VFVF逆变。逆变。 反组晶闸管反组晶闸管VRVR，由，由GTRGTR控制触发，控制触发， 反转时，反转时，VRVR整流；整流； 正转时，正转时，VRVR逆变。逆变。58 由于电流反馈应能反映极性，因此图中由于电流反馈应能反映极性，因此图中的电流互感器的电流互感器TATA需采用需采用霍尔变换器霍尔变换器，以，以满足这一要求。满足这一要求。 给定与检测电路 根据可逆系统正反向运行的需要，给定电压、根据可逆

37、系统正反向运行的需要，给定电压、转速反馈电压、电流反馈电压都应该能够反映正转速反馈电压、电流反馈电压都应该能够反映正负极性。负极性。59 控制电路控制电路 控制电路采用典型的转速、电流双控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，其中：闭环系统，其中：转速调节器转速调节器ASRASR控制转速，设置双向输出控制转速，设置双向输出限幅电路，以限制限幅电路，以限制最大起制动电流最大起制动电流；电流调节器电流调节器ACRACR控制电流，设置双向输出控制电流，设置双向输出限幅电路，以限制限幅电路，以限制最小控制角最小控制角 minmin 与与最小逆最小逆变角变角 minmin 。60(2) 控制方式控制方式

38、 采用同步信号为锯齿波的触发电路时，移相控制采用同步信号为锯齿波的触发电路时，移相控制特性是线性的，两组触发装置的控制特性如图所示。特性是线性的，两组触发装置的控制特性如图所示。 rmin180o 0o- UcmUcmUc90o90o0o 180o fmin fmin rmin r fCTRCTFUc61反转时：反转时： Uc 0 ， r 90，VR整流：整流： Ud0r =“+”； f 0 ， f 90，VF整流整流： Ud0f =“+”； r 90，VR逆变：逆变： Ud0r =“-”。 停转时：停转时：Uc = 0， r = f = 90， Ud0f = Ud0r = 0。62 AR =

39、“-” VR逆变逆变(3) 工作过程工作过程 正向运行过程：正向运行过程：KFKF闭合，闭合， U U* *n n=“+”=“+” U U* *i i=“-”=“-” U Uc c=“+”cU电动机电动机正向运行正向运行VFVF整流整流63正向运行过程系统状态正向运行过程系统状态+ - - - -+Id有环流系统正向运行过程MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*iTGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-Pn64(4) 制动过程制动过程 整个制动过程可以分为两个主要阶段，整个制动过程可以分为两个主要阶段，其中还有一些子阶段。主要阶段分为：其中还有一些

40、子阶段。主要阶段分为： I. I. 本组逆变阶段；本组逆变阶段； II. II.它组制动阶段。它组制动阶段。 现以正向制动为例，说明有环流可逆调现以正向制动为例，说明有环流可逆调速系统的制动过程。速系统的制动过程。 65 制动过程系统响应曲线制动过程系统响应曲线tttOOOId n Uc I II1II2II3-Idm IdL -Ucm E 图3-10 配合控制有环流可逆直流调速系统正向制动过渡过程波形66I. 本组逆变阶段本组逆变阶段 在这阶段中，电流由正向负载电流下降到零，在这阶段中，电流由正向负载电流下降到零，其方向未变，因此只能仍通过正组其方向未变，因此只能仍通过正组VFVF流通，流通

41、，具体过程如下：具体过程如下： 发出停车（或反向）指令后，转速给定电压发出停车（或反向）指令后，转速给定电压突变为零（或负值）；突变为零（或负值）； ASRASR输出跃变到正限幅值输出跃变到正限幅值 + +U U* *imim ； ACRACR输出跃变成负限幅值输出跃变成负限幅值 - -U Ucmcm ； VFVF由整流状态很快变成由整流状态很快变成 的逆变状态的逆变状态，同时反组同时反组VRVR由待逆变状态转变成待整流状态。由待逆变状态转变成待整流状态。minf67 在在VF-MVF-M回路中，由于回路中，由于VFVF变成逆变状态，极性变成逆变状态，极性变负，而电机反电动势变负，而电机反电动

42、势 E E 极性未变，迫使电极性未变，迫使电流迅速下降，主电路电感迅速释放储能，企图流迅速下降，主电路电感迅速释放储能，企图维持正向电流，这时维持正向电流，这时d0rd0fdddUUEtIL-大部分能量通过大部分能量通过 VF VF 回馈电网，所以称作回馈电网，所以称作“本本组逆变阶段组逆变阶段”。由于电流的迅速下降，这个阶。由于电流的迅速下降，这个阶段所占时间很短，转速来不及产生明显的变化，段所占时间很短，转速来不及产生明显的变化，其波形图见图其波形图见图3-103-10中的阶段中的阶段 I I 。 3.4.2 系统的制动过程分析 整个正向制动过程按电枢电流Id方向不同可以分为本组逆变和它组

43、制动两个阶段。具体分析如下： (1)本组逆变阶段 因电路中存在电感，Id不能突变，这时图3.12中主要信号的极性变化如下： 实际上是电感L释放的磁场能量来维持正组VF的逆变状态，把大部分电能回馈给 电网。 (2)它组制动阶段 1)它组建流子阶段(1) 当Id过零反向直至-Idm以前，图3.12中主要信号数值不变，极性如下： 2)它组逆变子阶段() 当反向电流达到-Idm后，图3.12中主要信号的极性如下： 3)反向减流子阶段3 总之，=的配合控制有环流可逆系统实现了在电压和电流受限制条件下的最快速制动，而且电流和转速的反向都是连续图3.14 =配合控制系统正向制动过程波形 过渡的，没有间断和死

44、区，特别适合快速正反转的系统，这是其优点。74l反向减流子阶段反向减流子阶段 在这一阶段，转速下降得很低，无法再在这一阶段，转速下降得很低，无法再维持维持 - -I Idmdm，于是电流立即衰减。，于是电流立即衰减。 在电流衰减过程中，电感在电流衰减过程中，电感 L L上的感应电压上的感应电压 L Ld dI Id d/d/dt t 支持着反向电流，并释放出存储的磁支持着反向电流，并释放出存储的磁能，与电动机释放出的动能一起通过能，与电动机释放出的动能一起通过VRVR逆变逆变回馈电网。回馈电网。 如果电机随即停止，整个制动过程到此结束。如果电机随即停止，整个制动过程到此结束。75+ -MVRV

45、F-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUcKFKR+-+ - - - -+0+-+ Id+-+- 反向减流过程系统状态反向减流过程系统状态0000000-76n 反向起动反向起动 如果需要在制动后紧接着反转，如果需要在制动后紧接着反转， I Id d = - = -I Idmdm的过程就会延续下去，直到的过程就会延续下去，直到反向转速稳定时为止。反向转速稳定时为止。 由于正转制动和反转起动的过程完由于正转制动和反转起动的过程完全衔接起来，没有间断或死区，这是全衔接起来，没有间断或死区，这是有环流可逆调速系统的优点，适用于有环

46、流可逆调速系统的优点，适用于要求快速正反转的系统要求快速正反转的系统。77 学习要点：学习要点：1.逻辑控制无环流可逆调速系统结构；逻辑控制无环流可逆调速系统结构；2.2.逻辑控制实现单元工作原理；逻辑控制实现单元工作原理；3.3.无环流逻辑控制器无环流逻辑控制器DLCDLC的实现电路单元的实现电路单元工作原理。工作原理。 重点、难点重点、难点: : DLC DLC的工作原理。的工作原理。3.1.3 无环流控制的可逆晶闸管无环流控制的可逆晶闸管-电动电动机系统机系统 78 概述概述 有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究平滑等优

47、点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，是个累赘。因此，当工艺过程对系统正反当工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求不很高时转的平滑过渡特性要求不很高时，特别是，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流控制均环流又没有瞬时脉动环流的无环流控制可逆系统。可逆系统。79系统分类系统分类 按照实现无环流控制原理的不同，无按照实现无环流控制原理的不同，无环流可逆系统又有大类：环流可逆系统又有大类：l 逻辑控制无环流系统；逻辑控制无环流系统；l 错位控制无环流系统。错位控制无环流系统。 80 控制原理控制原理 逻辑控制的无环流可逆

48、系统 当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬件）或逻辑算法（软件）去封锁另一组件）或逻辑算法（软件）去封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，以确保两组晶闸管不同时工作，状态，以确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。辑控制的无环流可逆系统。81l 错位控制的无环流可逆系统错位控制的无环流可逆系统 在错位控制的无环流可逆系统中，同在错位控制的无环流可逆系统中，同样采用配合控制的触发移相方法，但两组样采用配合控制的触发移相方法，但两组脉冲的关系是

49、脉冲的关系是 r r + + f f=300=300，甚至是，甚至是 r r+ + f f=360360，也就是说，初始相位整定，也就是说，初始相位整定在在 r r = = f f = 150 = 150 或或180180。 这样，当待逆变组的触发脉冲来到时，这样，当待逆变组的触发脉冲来到时，它的晶闸管已经完全处于反向阻断状态，它的晶闸管已经完全处于反向阻断状态，不可能导通，当然就不会产生瞬时脉动环不可能导通，当然就不会产生瞬时脉动环流了。流了。 1 错位控制的无环流可逆系统 (1)静态环流的错位消除原理 推广有b，c和c,b产生相间环流情形与a,b一样，b,a和c,b产生相间环流与a,c一样

50、，即实行配合控制时，只要满足下列任何一种条件就一定会产生静态环流，在这两种条件之外就消除静态环流。 图3.25 三相零式反并联可逆线路各相脉冲位置(a)环流回路 (b)各相脉冲位置 图3.26 正、反组控制角的配合特性和无环流区 图3.27 错位控制的无环流可逆调速系统原理框图图3.28 错位无环流系统f0=r0=180时的移相控制特性 图3.29 系统框图87一一. 逻辑控制的无环流可逆系统逻辑控制的无环流可逆系统 本节将着重讨论逻辑控制的无环流可逆本节将着重讨论逻辑控制的无环流可逆系统的系统结构、控制原理和电路设计。系统的系统结构、控制原理和电路设计。 1. 1.系统的组成系统的组成 逻辑

51、控制的无环流可逆调速系统（以下简逻辑控制的无环流可逆调速系统（以下简称称“逻辑无环流系统逻辑无环流系统”）的原理框图示于下）的原理框图示于下图该系统结构的特点为：图该系统结构的特点为：88 逻辑控制无环流系统结构逻辑控制无环流系统结构图3-9 逻辑控制无环流可逆调速系统原理框图 ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR-+89系统结构的特点系统结构的特点 主电路采用两组晶闸管装置反并联线路；主电路采用两组晶闸管装置反并联线路； 由于没有环流，不用设置环流电抗器；由于没有环流，不用设置环流电

52、抗器； 仍保留平波电抗器仍保留平波电抗器 L Ld d ，以保证稳定运行时电，以保证稳定运行时电流波形连续；流波形连续； 控制系统采用转速、电流双闭环方案；控制系统采用转速、电流双闭环方案； 电流环分设两个电流调节器，电流环分设两个电流调节器，1ACR1ACR用来控用来控制正组触发装置制正组触发装置GTFGTF，2ACR2ACR控制反组触发控制反组触发装置装置GTRGTR；90系统结构的特点（续）系统结构的特点（续） 1ACR1ACR的给定信号经反号器的给定信号经反号器ARAR作为作为2ACR2ACR的给的给定信号，因此电流反馈信号的极性不需要变化，定信号，因此电流反馈信号的极性不需要变化，可

53、以采用不反映极性的电流检测方法。可以采用不反映极性的电流检测方法。 为了保证不出现环流，设置了为了保证不出现环流，设置了无环流逻辑控制无环流逻辑控制环节环节DLCDLC，这是系统中的关键环节。它按照系，这是系统中的关键环节。它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动切换，其输出信号切换，其输出信号 U Ublfblf 用来控制正组触发脉冲用来控制正组触发脉冲的封锁或开放，的封锁或开放，U Ublrblr 用来控制反组触发脉冲的用来控制反组触发脉冲的封锁或开放。封锁或开放。91 ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nU

54、n-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR2. 2.工作原理工作原理 正向运行：+-+-+-+-92 ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdARn 反向运行反向运行-+-93二无环流逻辑控制环节二无环流逻辑控制环节1. 1.逻辑控制环节的设计要求逻辑控制环节的设计要求 DLCDLC的输入要求：的输入要求： 分析分析V-MV-M系统四象限运行的特性，有如下共系统四象限运行的特性，有如下共同特征：同特征： 正向运行和反向制动时，电动机转矩方向为正向运行和反向制动时

55、，电动机转矩方向为正，即电流为正；正，即电流为正； 反向运行和正向制动时，电动机转矩方向为反向运行和正向制动时，电动机转矩方向为负，即电流为负。负，即电流为负。因此，应选择转矩信号作为因此，应选择转矩信号作为DLCDLC的输入信号。的输入信号。94 由于由于ASRASR的输出信号正好代表了转矩方向，的输出信号正好代表了转矩方向，即有：即有： 正向运行和反向制动时，正向运行和反向制动时，U U* *i i为正；为正； 反向运行和正向制动时，反向运行和正向制动时，U U* *i i为负。为负。 又因为又因为U U* *i i极性的变化只表明系统转矩方向的极性的变化只表明系统转矩方向的意图，转矩极性

56、的真正变换还要滞后一段时间。意图，转矩极性的真正变换还要滞后一段时间。只有在实际电流过零时，才开始反向只有在实际电流过零时，才开始反向，因此，因此，需要检测零电流信号需要检测零电流信号U Ui0i0作为作为DLCDLC的另一个输入的另一个输入信号。信号。95n DLCDLC的输出要求的输出要求 正向运行：正向运行：VFVF整流，开放整流，开放VFVF，封锁，封锁VRVR； 反向制动：反向制动：VFVF逆变，开放逆变，开放VFVF，封锁，封锁VRVR； 反向运行：反向运行：VRVR整流，开放整流，开放VRVR，封锁，封锁VFVF； 正向制动：正向制动：VRVR逆变，开放逆变，开放VRVR，封锁，

57、封锁VFVF；因此，因此，DLCDLC的输出有两种状态：的输出有两种状态： VFVF开放开放 U Ublfblf =1=1，VFVF封锁封锁 U Ublf blf = 0= 0； VRVR开放开放 U Ublr blr =1=1，VRVR封锁封锁 U Ublr blr = 0= 0。96 DLCDLC的内部逻辑要求的内部逻辑要求 对输入信号进行转换，将模拟量转换为开关量；对输入信号进行转换，将模拟量转换为开关量； 根据输入信号，做出正确的逻辑判断；根据输入信号，做出正确的逻辑判断； 为保证两组晶闸管装置可靠切换，需要有两个延为保证两组晶闸管装置可靠切换，需要有两个延时时间：时时间：(1) (1) t tdbldbl延时延时 封锁延时（关断等待时间），以确封锁延时（关断等待时间），以确认电流已经过零，而